CN109115449A - 一种适用于小型风洞的智能风速调控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于小型风洞的智能风速调控系统,包括:皮托管,其探头位于风洞中,用于测量风洞中气流的总压和静压,然后发送给智能微差压计;智能微差压计,与皮托管相连接,用于根据皮托管发来的风洞中气流的总压和静压,获得风洞中气流的差压值,然后转换为对应的电流信号并发送给适配电路;适配电路,与智能微差压计相连接,用于将差压值对应的电流信号转换为电压信号,然后发送给微处理器;微处理器,与适配电路相连接;变频器,分别与微处理器和风机相连接,用于接收微处理器发来的控制数据,调节风洞的风速。本发明能够实时、可靠地对风洞的风速进行调节,提高对风洞风速进行调节的实时性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及风洞试验装置的风速调节技术领域,特别是涉及一种适用于小型风洞的智能风速调控系统。
背景技术
风洞,是陆地上的“人造天空”,是一种通过人工方式产生并控制气体流速,来模拟飞行器周围或实体周围的气流情况,并可度量气流对物体的作用及物体伴随而生的物理现象的一种管道形状的试验设备。风洞在空气动力学研究与飞机的空气动力学设计中起到了关键作用。许多空气动力学的关键理论是通过许多的风洞试验中得到的。
目前,风洞风速调控系统主要包含风速采集与风速控制两大部分,其中,风速采集单元主要依靠微差压计与皮托管(又名“空速管”或“风速管”)的配合得到压差值,然后,风速控制器采集后计算得到风速;
风速控制单元主要由风机和变频器组成,用户主要通过手动调节变频器的频率输入值来控制风机的转速,控制风洞洞体内的实时风速,这种手动调节方式,使得用户操作复杂、费时费力,而且风洞内的风速不能实时调节,可是由于电源干扰等因素容易引起风速变化,从而影响试验的测试数据的准确性。
因此,目前迫切需要研发出一种技术,其能够实时、可靠地对风洞的风速进行调节,提高对风洞风速进行调节的实时性和准确性。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提供一种适用于小型风洞的智能风速调控系统,其能够实时、可靠地对风洞的风速进行调节,提高对风洞风速进行调节的实时性和准确性,有利于推广应用,具有重大的实践意义。
为此,本发明提供了一种适用于小型风洞的智能风速调控系统,包括皮托管、智能微差压计、适配电路、微处理器、RS485模块和变频器,其中:
皮托管,位于风洞中,用于测量风洞中气流的总压和静压,然后发送给智能微差压计;
智能微差压计,与皮托管相连接,用于根据皮托管发来的风洞中气流的总压和静压,获得风洞中气流的差压值,然后转换为对应的电流信号并发送给适配电路;
适配电路,与智能微差压计相连接,用于将所述智能微差压计发来的差压值对应的电流信号转换为电压信号,然后发送给微处理器;
微处理器,与适配电路相连接,用于接收所述差压值对应的电压信号,采集所述差压值,然后根据所述差压值,计算获得风洞中的风速值,并将该风洞中的风速值与预先设定的风速值进行比较计算,计算获得对应的控制数据,以及将该控制数据通过RS485模块发送给变频器;
变频器,分别与微处理器和风机相连接,用于接收微处理器发来的控制数据,根据预设的规则,调节控制风机的电源频率,进而调节风洞中的风速大小。
其中,所述微处理器,具体用于将该风洞中的风速值与通过LCD触摸屏人为预先设定的风速值进行做差法得到偏差值e(t),再经过PID算法调节计算,调节计算公式如下:
其中e(t)为偏差值,Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数;
从而计算获得对应的控制数据u(x),最后将该控制数据u(x)通过RS485模块发送给变频器。
其中,所述智能风速调控系统还包括LCD触摸屏和RS232模块;
LCD触摸屏,用于接收并显示用户输入的风机转速控制指令,然后发送给RS232模块;
RS232模块,与LCD触摸屏相连接,用于将LCD触摸屏发来的风机转速控制指令转发给微处理器;
对应地,微处理器,还用于接收所述风机转速控制指令,然后通过过RS485模块发送给变频器,从而控制变频器对应调节风机的转速,进而调节风洞中的风速。
其中,所述皮托管的输出端与智能微差压计的输入端相连接;
智能微差压计的输出端与适配电路的输入端相连接;
适配电路的输出端与微处理器的89引脚相连接;
微处理器的119引脚与RS485模块的串行通讯接收端口RXD0端子相连接;
微处理器的120引脚与RS485模块的串行通讯发送端口TXD0端子相连接;
微处理器的130引脚与RS485模块的串行通讯控制端口D/R端子相连接;
RS485模块的RS485总线的A端子与变频器的RS485总线的A端子相连接;
RS485模块的RS485总线的B端子与变频器的RS485总线的B端子相连接;
微处理器的121引脚与RS232模块的串行通讯发送端口TXD1端子相连接;
微处理器的122引脚与RS232模块的串行通讯接收端口RXD1端子相连接;
RS232模块的输出端与LCD触摸屏(即液晶显示触摸屏)的输入端相连接。
其中,所述皮托管采用L型的不锈钢皮托管。
由以上本发明提供的技术方案可见,与现有技术相比较,本发明提供了一种适用于小型风洞的智能风速调控系统,其能够实时、可靠地对风洞的风速进行调节,提高对风洞风速进行调节的实时性和准确性,有利于推广应用,具有重大的实践意义。
附图说明
图1为本发明提供的一种适用于小型风洞的智能风速调控系统的结构方框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1,本发明提供了一种适用于小型风洞的智能风速调控系统,包括皮托管、智能微差压计、适配电路、微处理器、RS485模块和变频器,其中:
皮托管,其探头位于风洞中,用于测量风洞中气流的总压和静压,然后发送给智能微差压计;
智能微差压计,与皮托管相连接,用于根据皮托管发来的风洞中气流的总压和静压,获得风洞中气流的差压值(即等气流的总压和静压之差),然后转换为对应的电流信号并发送给适配电路;
适配电路,与智能微差压计相连接,用于将所述智能微差压计发来的差压值对应的电流信号转换为电压信号,然后发送给微处理器;
微处理器,与适配电路相连接,用于接收所述差压值对应的电压信号,采集所述差压值,然后根据所述差压值,计算获得风洞中的风速值,并将该风洞中的风速值与通过LCD触摸屏人为预先设定的风速值进行比较计算,计算获得对应的控制数据,最后将该控制数据通过RS485模块发送给变频器;
具体实现上,所述微处理器,具体用于将该风洞中的风速值与通过LCD触摸屏人为预先设定的风速值进行做差法得到偏差值e(t),再经过PID算法(比例、积分、微分)调节计算,调节计算公式如下:
其中e(t)为偏差值,Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数;
从而计算获得对应的控制数据u(x),最后将该控制数据u(x)通过RS485模块发送给变频器。
变频器,分别与微处理器和风机相连接,用于接收微处理器发来的控制数据,根据预设的规则,调节控制风机的电源频率,进而调节风洞中的风速大小。因此,本发明能够,实现风速的自动调节,提高风洞风速调节的实时性与精确性。
需要说明的是,在本发明中,所述适配电路能够起到将电流信号转换电压信号的作用,微处理器无法直接对电流信号进行A/D采样,因此需经过适配电路,将智能微差压计的输出端的4~20mA的电流信号转变为0-5V的电压信号。
具体实现上,所述适配电路可以为现有的电压电流转换器,或者现有的任意一种能够将电流信号转换为电压信号的电压电流转换电路,在此与现有技术类似,不展开描述。
在本发明中,具体实现上,微处理器,具体可以根据风洞中气流的差压值,再根据伯努利方程计算获得风洞中的风速值;
其中,ΔP为等于通过智能微差压计采集的差压值,ρ为空气密度,V为风速。
在本发明中,需要说明的是,所述风机安装在风洞中,用于在风洞中形成空气流,风机的转速,直接关系到风洞中的风速大小。
在本发明中,需要说明的是,所述的小型风洞指的是风速低于100m/s或马赫数在(0-0.3)之间的风洞。
在本发明中,具体实现上,所述智能风速调控系统还包括LCD触摸屏和RS232模块;
LCD触摸屏,用于接收并显示用户输入的风机转速控制指令,然后发送给RS232模块;
RS232模块,与LCD触摸屏相连接,用于将LCD触摸屏发来的风机转速控制指令转发给微处理器;
对应地,微处理器,还用于接收所述风机转速控制指令,然后通过过RS485模块发送给变频器,从而控制变频器对应调节风机的转速,进而调节风洞中的风速。
需要说明的是,对于本发明,LCD触摸屏采用7寸串口电阻式触摸屏作为本发明的输入输出单元,它与微处理器之间采用RS232通讯,实现数据交换,实现风速的设定与显示功能。
在本发明中,具体实现上,参见图1所示,所述皮托管的输出端与智能微差压计的输入端相连接;
智能微差压计的输出端与适配电路的输入端相连接;
适配电路的输出端与微处理器的89引脚,即模拟量采集端口PAD00引脚相连接;
微处理器的119引脚,即串行通讯0接收端口的RXD0引脚与RS485模块的串行通讯接收端口RXD0端子相连接;
微处理器的120引脚,即串行通讯0发送端口TXD0引脚与RS485模块的串行通讯发送端口TXD0端子相连接;
微处理器的130引脚,即输入输出端口PJ5引脚与RS485模块的串行通讯控制端口D/R端子相连接;
RS485模块的RS485总线的A端子与变频器的RS485总线的A端子相连接;
RS485模块的RS485总线的B端子与变频器的RS485总线的B端子相连接;
微处理器的121引脚,即串行通讯1接收端口RXD1引脚与RS232模块的串行通讯发送端口TXD1端子相连接;
微处理器的122引脚,即串行通讯1发送端口TXD1引脚与RS232模块的串行通讯接收端口RXD1端子相连接;
RS232模块的输出端与LCD触摸屏(即液晶显示触摸屏)的输入端相连接。
在本发明中,具体实现上,所述皮托管,又名“空速管”,“风速管”,所述皮托管优选采用L型的不锈钢皮托管,它是测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置,由法国H.皮托发明而得名。
在本发明中,具体实现上,所述智能微差压计,优选采用宽电压输入范围的数字风压变送器,输出信号为4~20mA信号,精度为0.25%FS,稳定性能为±0.1%FS/年。
在本发明中,具体实现上,所述微处理器优选为恩智浦(NXP)公司生产的16位的MC9S12XDT256微处理器,它包含256KBbyte的Flash、32Kbyte的RAM、4Kbyte的EEPROM,以及一个10位精度、16通道的模数转换器,5个兼容的CAN2.0A/B协议的MSCAN通讯接口,还包括8通道的增强型捕获定时器模块。
在本发明中,具体实现上,所述RS485模块包括光隔离模块和收发模块;其中,所述光隔离模块优选采用仙童半导体公司(Fairchild Semiconductor)的6N137芯片作为隔离元器件,以达到隔离保护的作用,所述光隔离模块具体包括发送隔离模块和接收隔离模块;而收发模块可以采用德州仪器TI公司生产的SN65LBC184D芯片作为收发器,它带有内置高能量瞬变噪声保护装置,提高了抵抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性。
在本发明中,具体实现上,所述变频器优选采用ABB公司生产的ACS310变频器,输入电压380V,额定功率5.5KW,最大瞬时输出电流达到21.9A。
在本发明中,具体实现上,所述RS232模块优选采用美信公司生产的MAX232芯片作为串行通讯的收发模块,它符合所有的RS232技术标准,偏载电荷泵具有升压、电压极性反转能力、功耗低等特点。
在本发明中,具体实现上,所述LCD触摸屏为7寸串口触摸屏,显示屏类型为TFTLCD,背光为LED模式,屏幕亮度250cd/m2,触摸屏类型为电阻式触摸屏,分辨率1024*600,通信接口为RS232方式。
与现有技术相比较,本发明提供的适用于小型风洞的智能风速调控系统,其具有以下的有益技术效果:
1、本发明采用16位微处理器作为小型风洞智能风速调控系统的控制处理核心,在数据处理上减小了计算误差,增加数据处理精度,简化了数据运算过程,使控制系统变得更加安全、稳定。
2、本发明采用的16位微处理器具有多种外设通讯接口,如SPI,SCI,IIC,CAN等接口。它具有低价格、低功耗、卓越的EMC和有效编码长度的优势,而且还拥有XGATE协处理器,可提高应用反应速度和减少主CPU的中断负荷等功能。
3、本发明采用RS485串行通讯方式与变频器实现数据交换,这种方式通讯线路简单,传输距离远,成本低。
综上所述,与现有技术相比较,本发明提供的一种适用于小型风洞的智能风速调控系统,其能够实时、可靠地对风洞的风速进行调节,提高对风洞风速进行调节的实时性和准确性,有利于推广应用,具有重大的实践意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种适用于小型风洞的智能风速调控系统,其特征在于,包括皮托管、智能微差压计、适配电路、微处理器、RS485模块和变频器,其中:
皮托管,其探头位于风洞中,用于测量风洞中气流的总压和静压,然后发送给智能微差压计;
智能微差压计,与皮托管相连接,用于根据皮托管发来的风洞中气流的总压和静压,获得风洞中气流的差压值,然后转换为对应的电流信号并发送给适配电路;
适配电路,与智能微差压计相连接,用于将所述智能微差压计发来的差压值对应的电流信号转换为电压信号,然后发送给微处理器;
微处理器,与适配电路相连接,用于接收所述差压值对应的电压信号,采集所述差压值,然后根据所述差压值,计算获得风洞中的风速值,并将该风洞中的风速值与预先设定的风速值进行比较计算,计算获得对应的控制数据,以及将该控制数据通过RS485模块发送给变频器;
变频器,分别与微处理器和风机相连接,用于接收微处理器发来的控制数据,根据预设的规则,调节控制风机的电源频率,进而调节风洞中的风速大小。
2.如权利要求1所述的智能风速调控系统,其特征在于,所述微处理器,具体用于将该风洞中的风速值与通过LCD触摸屏人为预先设定的风速值进行做差法得到偏差值e(t),再经过PID算法调节计算,调节计算公式如下:
其中e(t)为偏差值,Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数;
从而计算获得对应的控制数据u(x),最后将该控制数据u(x)通过RS485模块发送给变频器。
3.如权利要求1所述的智能风速调控系统,其特征在于,所述智能风速调控系统还包括LCD触摸屏和RS232模块;
LCD触摸屏,用于接收并显示用户输入的风机转速控制指令,然后发送给RS232模块;
RS232模块,与LCD触摸屏相连接,用于将LCD触摸屏发来的风机转速控制指令转发给微处理器;
对应地,微处理器,还用于接收所述风机转速控制指令,然后通过过RS485模块发送给变频器,从而控制变频器对应调节风机的转速,进而调节风洞中的风速。
4.如权利要求3所述的智能风速调控系统,其特征在于,所述皮托管的输出端与智能微差压计的输入端相连接;
智能微差压计的输出端与适配电路的输入端相连接;
适配电路的输出端与微处理器的89引脚相连接;
微处理器的119引脚与RS485模块的串行通讯接收端口RXD0端子相连接;
微处理器的120引脚与RS485模块的串行通讯发送端口TXD0端子相连接;
微处理器的130引脚与RS485模块的串行通讯控制端口D/R端子相连接;
RS485模块的RS485总线的A端子与变频器的RS485总线的A端子相连接;
RS485模块的RS485总线的B端子与变频器的RS485总线的B端子相连接;
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微处理器的122引脚与RS232模块的串行通讯接收端口RXD1端子相连接;
RS232模块的输出端与LCD触摸屏的输入端相连接。
5.如权利要求1至4中任一项所述的智能风速调控系统,其特征在于,所述皮托管采用L型的不锈钢皮托管。
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